【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 的結(jié)合，形成了一個(gè)有機(jī)整體，使得儀器的結(jié)構(gòu)概念和設(shè)計(jì)觀點(diǎn)等都發(fā)生了突破性的變化。從構(gòu)成和功能上來(lái)說(shuō)，虛擬儀器就是利用現(xiàn)有的計(jì)算機(jī)，配上相應(yīng)的硬件和專業(yè)軟件，形成既有普通儀器的基本功能，又有一般儀器所沒有的特殊功能的高檔低價(jià)的新型的儀器；從形式上來(lái)說(shuō)，虛擬儀器面板(即軟面板)，可以有效地提高儀器的使用效率。虛擬儀器特點(diǎn)可以歸結(jié)為以下四個(gè)方面：(l)豐富和增強(qiáng)了傳統(tǒng)儀器的功能。虛擬儀器將信號(hào)分析，顯示，存儲(chǔ)，打印和其他管理集中交由計(jì)算機(jī)來(lái)處理，充分利用了計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理，傳輸和發(fā)布能力，使得組建系統(tǒng)變得更加靈活、簡(jiǎn)單。(2)突出“軟件就是儀器’的概念。傳統(tǒng)儀器的某些硬件在虛擬儀器中被軟件代替，由于減少了許多隨時(shí)間可能漂移、需要定期校準(zhǔn)的分立式模擬硬件，加上標(biāo)準(zhǔn)總線的使用，使儀器的測(cè)量精度、測(cè)量速度和可重復(fù)性都大大提高。(3)儀器由用戶自己定義。虛擬儀器通過(guò)提供給用戶組建自己儀器的可重用源代碼庫(kù)，可以很方便地修改儀器功能和面板，設(shè)計(jì)儀器的通信、定時(shí)和觸發(fā)功能，實(shí)現(xiàn)與外設(shè)，網(wǎng)絡(luò)及其他應(yīng)用的連接，給用戶一個(gè)充分發(fā)揮自己能力和想象力的空間。(4)開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。虛擬儀器硬件和軟件都制定了開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，因此用戶可以將儀器的設(shè)計(jì)、使用和管理統(tǒng)一到虛擬儀器標(biāo)準(zhǔn)，使資源的可重復(fù)利用率提高，功能易于擴(kuò)展，管理規(guī)范，生產(chǎn)，維護(hù)和開發(fā)費(fèi)用降低。(5)便于構(gòu)成復(fù)雜的測(cè)試系統(tǒng)，經(jīng)濟(jì)性好。虛擬儀器既可以作為測(cè)試儀器獨(dú)立使用，又可以通過(guò)告訴計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成復(fù)雜的分布式測(cè)試系統(tǒng)，進(jìn)行遠(yuǎn)程測(cè)試、監(jiān)控與故障診斷。此外，用基于軟件體系結(jié)構(gòu)的虛擬儀器代替基于硬件體系結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)儀器，還可以大大節(jié)約儀器的購(gòu)買和維護(hù)費(fèi)用。 虛擬儀器的組成虛擬儀器(VI)一般由通用計(jì)算機(jī) (PC 機(jī))、數(shù)據(jù)采集卡及軟件系統(tǒng)組成。它充分利用PC 機(jī)豐富的軟硬件資源快速建立數(shù)據(jù)采集應(yīng)用系統(tǒng)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡從外界采集各種信號(hào)，對(duì)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)顯示及離線分析。這是一個(gè)由通用儀器硬件平臺(tái)(由計(jì)算機(jī)和數(shù)據(jù)采集卡組成，簡(jiǎn)稱硬件平臺(tái))和應(yīng)用軟件組成的復(fù)雜系統(tǒng)。(l)通用儀器硬內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文）7件平臺(tái)。虛擬儀器的硬件平臺(tái)由一臺(tái)通用計(jì)算機(jī)和 I/O 接口設(shè)備構(gòu)成。其中，I/O 接口設(shè)備完成被測(cè)信號(hào)的采集、放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換等?？梢愿鶕?jù)實(shí)際的情況采用不同的 I/O接口硬件設(shè)備，如數(shù)據(jù)采集卡(DAQ)、GPIB 總線儀器、 VXI 總線儀器、PXI 總線儀器、串口儀器等。虛擬儀器的構(gòu)成方式主要有五類。①PC 一 DAQ 系統(tǒng)：是以數(shù)據(jù)采集板、信號(hào)調(diào)理電路和計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的插卡式虛擬儀器系統(tǒng)。采用 PCI 計(jì)算機(jī)本身的總線，故將數(shù)采卡(DAQ)插入計(jì)算機(jī)的空槽中即可。②GPIB 系統(tǒng)了：以 GPIB標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。③VXI 系統(tǒng): 以 VXI標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。④PXI 系統(tǒng):以PXI 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器模塊與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。⑤串口系統(tǒng):以 Serial 標(biāo)準(zhǔn)總線儀器與計(jì)算機(jī)為儀器硬件平臺(tái)組成的虛擬儀器測(cè)試系統(tǒng)。無(wú)論上述那種 Vl 系統(tǒng)，都是通過(guò)應(yīng)用軟件將儀器硬件與通用計(jì)算機(jī)相結(jié)合。其中，PCDAQ系統(tǒng)是構(gòu)成 Vl 的最基本的方式，也是最廉價(jià)的方式。(2)虛擬儀器的軟件開發(fā)平臺(tái)。虛擬儀器的核心是軟件，軟件開發(fā)平臺(tái)的水平在很大程度上代表了虛擬儀器的水平。虛擬儀器軟件由兩大部分構(gòu)成：應(yīng)用程序和 1/0 接口儀器驅(qū)動(dòng)程序。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的飛速發(fā)展，各種專用儀器開發(fā)系統(tǒng)的功能也越來(lái)越強(qiáng)大和完善。以美國(guó) Nl 公司的軟件產(chǎn)品 LabVIEW 和 LabWindows/CVI 為代表的虛擬儀器專用開發(fā)平臺(tái)是當(dāng)前流行的集成開發(fā)工具。這些軟件開發(fā)平臺(tái)提供了強(qiáng)大的儀器軟面板設(shè)計(jì)工具和各種數(shù)據(jù)處理工具，再加上虛擬儀器硬件廠商提供的各種硬件驅(qū)動(dòng)程序模塊，大大地簡(jiǎn)化了虛擬儀器設(shè)計(jì)工作。隨著軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，軟件開發(fā)的模塊化、復(fù)用化，對(duì)各種硬件儀器的驅(qū)動(dòng)軟件模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化，將使虛擬儀器軟件開發(fā)變得更加方便。 虛擬儀器的開發(fā)平臺(tái)—LabVIEW LabVIEW 是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它是由美國(guó) NI 公司推出的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強(qiáng)的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境。它把復(fù)雜的語(yǔ)言編程簡(jiǎn)化成用圖形編程的方式，為編程的調(diào)試提供了簡(jiǎn)單方便的環(huán)境，同時(shí)集成了大量的生成圖形界面的模塊，豐富的數(shù)值分析與處理功能。LabVIEW 是一個(gè)帶有擴(kuò)展功能庫(kù)和子程序庫(kù)的通用程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)。其開發(fā)環(huán)境下提供的應(yīng)用程序有 180 多種，除了具備其它語(yǔ)言所提供的常規(guī)函數(shù)功能和上述的生成圖形界面的大量模板外，內(nèi)部還包括許多特殊的功能庫(kù)函數(shù)和開發(fā)工具庫(kù)以及多種設(shè)備驅(qū)動(dòng)功能。LabVIEW 作為一內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文）8種強(qiáng)大的虛擬儀器開發(fā)平臺(tái)，被視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件。它集成了GPIB，VXI，PXI，RS232 和 RS485 協(xié)議以及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功能，還內(nèi)置了便于應(yīng)用 TCP/IP，ActiveX 等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。LabVIEW 的程序包括前面板(FrontPanel)、流程圖(BlockDiagram)以及圖標(biāo)/連接器三部分。LabVIEW 簡(jiǎn)化了虛擬儀器系統(tǒng)的開發(fā)過(guò)程，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試周期，它讓用戶從煩瑣的計(jì)算機(jī)代碼編寫中解放出來(lái)，把大部分精力投入系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析當(dāng)中，而不再拘泥于程序細(xì)節(jié)。LabVIEW 是一個(gè)面向最終用戶的工具，它可以增強(qiáng)用戶構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑，使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率，其主要特點(diǎn)可歸納為如下幾點(diǎn)：(l)簡(jiǎn)單的方案。即使沒有多少編程經(jīng)驗(yàn)，仍可以方便的使用 LabVIEW，因?yàn)樗褂谩八娂此谩钡目梢暬夹g(shù)建立人機(jī)界面，提供大量的儀器面板中的控制對(duì)象。此外，LabVIEW 按其易用的方式將復(fù)雜的任務(wù)包裝起來(lái)，從而使復(fù)雜任務(wù)得到簡(jiǎn)化。先進(jìn)的ActiveX 技術(shù)融合了簡(jiǎn)單的拖動(dòng)編程方法，儀器控制和數(shù)據(jù)采集在開發(fā)向?qū)У囊龑?dǎo)下變得十分簡(jiǎn)單，使用戶十分容易地開發(fā)自己的儀器，并將其立即投入使用。(2)靈活的儀器將 LabVIEW 與一般的數(shù)據(jù)采集及儀器加以組合，可以設(shè)計(jì)出靈活的虛擬儀器，并可以隨時(shí)將儀器系統(tǒng)移植到最適用的平臺(tái)上使用。(3)方便的程序調(diào)試具有一些專用程序開發(fā)箱，可以在源代碼中設(shè)置斷點(diǎn)，單步執(zhí)行源代碼，高亮顯示，連線上設(shè)置探針，動(dòng)態(tài)執(zhí)行程序，觀察程序運(yùn)行過(guò)程中數(shù)據(jù)流的變化。(4)完整的開發(fā)環(huán)境 LabVIEW 軟件包中包含了功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)采集、分析和表達(dá)的能力，使用戶可以在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的解決方案。另外，它還有一個(gè)多線程和用于最大限度提高系統(tǒng)性能的優(yōu)化圖形編輯器。這樣，不僅簡(jiǎn)化了開發(fā)過(guò)程，而且可生成按編譯速度執(zhí)行的可復(fù)用代碼。此外，LabVIEW 還可以生成在沒有 LabviEw 編程環(huán)境的目標(biāo)機(jī)器上運(yùn)行可執(zhí)行的代碼。(5)快速開發(fā)的 LabVIEW 為用戶提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。通過(guò)儀器驅(qū)動(dòng)程序可以與大多數(shù)儀器進(jìn)行通訊。用戶不必學(xué)習(xí)各種儀器的低級(jí)編程協(xié)議，從而簡(jiǎn)化了儀器的控制，縮短了開發(fā)時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。(6)開放的平臺(tái)提供的DLL 接口和 CIN 接口節(jié)點(diǎn)，使用戶能在它的平臺(tái)上使用其它應(yīng)用軟件編譯的模塊，能調(diào)用 C 語(yǔ)言程序、Matlab 程序及已存在的 DLL 庫(kù)函數(shù)，是一個(gè)開放的平臺(tái)。內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文）9 LabVIEW 的程序構(gòu)成LabVIEW 的程序由前面板(frontpanel)和流程圖(bloekdiagram)兩部分組成，整個(gè)程序是基于多線程的設(shè)計(jì)，前面板和流程圖各占用一個(gè)線程。前面板是 LabVIEW 程序的圖形用戶接口，此接口集成了用戶輸入，并顯示程序的輸出，相當(dāng)于傳統(tǒng)儀器的面板。前面板包括旋鈕、按鈕、圖形和其它的控制(controls)與顯示對(duì)象(indieators) 。流程圖包括虛擬儀器程序的圖形化源代碼。在流程圖中對(duì) VI 進(jìn)行編程，以控制和操作定義在前面板上的輸入和輸出功能。流程圖包括內(nèi)置于 LabVIEW VI 庫(kù)中的函數(shù)(functions) 和結(jié)構(gòu)(stoctures)，還包括與前面板上的控制對(duì)象、顯示對(duì)象對(duì)應(yīng)的連線端子(terminals)。 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器的比較虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器相比，最直觀的區(qū)別就是與用戶進(jìn)行交互的面板。傳統(tǒng)儀器的面板只有一個(gè)，其上布置著種類繁多的顯示與操作元件，容易導(dǎo)致許多識(shí)別與操作錯(cuò)誤。虛擬儀器與之不同，它可以通過(guò)在幾個(gè)分面板上的操作來(lái)實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜的功能。這樣，在每個(gè)分面板上就可以實(shí)現(xiàn)功能操作的單純化與面板布置的簡(jiǎn)潔化，從而提高操作的準(zhǔn)確性和便捷性。同時(shí)，虛擬儀器面板上的顯示元件和操作元件的種類與形式不受“標(biāo)準(zhǔn)件”和“加工工藝”的限制，他們是由編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)者可以根據(jù)用戶的認(rèn)知要求和操作要求，設(shè)計(jì)儀器面板。表 虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器比較虛擬儀器 傳統(tǒng)儀器開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用低 開發(fā)和維護(hù)開銷大技術(shù)更新時(shí)間短（12 年） 技術(shù)更新周期長(zhǎng)（510 年）軟件是關(guān)鍵，系統(tǒng)性能升級(jí)方便，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)下載升級(jí)程序即可硬件是關(guān)鍵，升級(jí)成本高價(jià)格低廉，儀器資源可重復(fù)利用率高 價(jià)格較昂貴，儀器資源重復(fù)利用率低用戶可自定義儀器功能，并且可以根據(jù)實(shí)際情況更改只有廠商能定義儀器功能，一旦定義好以后就難以更改可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接其他儀器，實(shí)現(xiàn)資源共 功能一般比較單一，只能連接有限的獨(dú)立內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文）10享或協(xié)同工作 設(shè)備開放性好、比較靈活，可與計(jì)算機(jī)技術(shù)保持步發(fā)展開放性差，利用新技術(shù)為自己服務(wù)的速率低從表可以看出與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。決定虛擬儀器具有傳統(tǒng)儀器不可能具有的特點(diǎn)的根本原因在于“虛擬儀器的關(guān)鍵是軟件” 。虛擬儀器在性價(jià)比、靈活性以及用戶使用方便方面，具有傳統(tǒng)儀器不可比擬的優(yōu)勢(shì)。以一臺(tái)高性能儀器為例，用戶可以裝配一臺(tái)裝有基于硬件和軟件部分的個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，為專門的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)虛擬儀器。硬件部分可以是插入式主板、外圍儀器，或者兩者的結(jié)合。在任何一種情況下，軟件界面可按照用戶的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，以使用戶操作方便和快捷。用戶可以通過(guò)虛擬儀器來(lái)簡(jiǎn)化一臺(tái)復(fù)雜的獨(dú)立儀器的操作，虛擬儀器也可以只作為集中控制儀器的一個(gè)部分，只實(shí)現(xiàn)其中的一部分功能，其使用是相當(dāng)靈活的。如今，許多插卡式的數(shù)據(jù)采集主板同時(shí)還設(shè)置了技術(shù)先進(jìn)的直接存儲(chǔ)器存取時(shí)以及兼容于多種主板的觸發(fā)功能，增強(qiáng)了主板之間的同步性和信號(hào)結(jié)合性。這些技術(shù)上的進(jìn)步，再加上操作系統(tǒng)功能和計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)方面的發(fā)展，己經(jīng)使得個(gè)人電腦具有并行處理的能力，從而可以成為更加先進(jìn)的儀器和數(shù)據(jù)采集應(yīng)用程序的平臺(tái)。然而，技術(shù)的進(jìn)步是以復(fù)雜性的提高為代價(jià)的，比起使用具有類似功能的一臺(tái)獨(dú)立儀器，用戶必須具備更多有關(guān)硬件方面的知識(shí)。虛擬儀器軟件對(duì)于將這些技術(shù)尖端的硬件組成變成實(shí)際可用的儀器系統(tǒng)是必不可缺的。 虛擬儀器的應(yīng)用虛擬儀器技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于可由用戶自己定義儀器系統(tǒng)功能，且定義的功能也比較靈活，也很容易構(gòu)建，所以應(yīng)用面極為廣泛。尤其在科研、開發(fā)、測(cè)量、檢測(cè)、計(jì)量、測(cè)控等領(lǐng)域更是不可多得的好工具。虛擬儀器技術(shù)先進(jìn)，十分符合國(guó)際上流行的“硬件軟件化”的發(fā)展趨勢(shì)，因而常被稱作“軟件儀器” 。它功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)示波器、邏輯分析儀、頻譜儀、信號(hào)校正器等多種普通儀器全部功能，配以專用探頭和軟件還可以檢測(cè)特定系統(tǒng)的參數(shù)，如汽車發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)、汽油標(biāo)號(hào)、爐窯溫度、血液脈搏波、心電參數(shù)等多種數(shù)據(jù)；它操作靈活，完全圖形化界面，風(fēng)格簡(jiǎn)約，符合傳統(tǒng)設(shè)備的使用習(xí)慣，用戶不經(jīng)培訓(xùn)即可迅速掌握操作規(guī)程；它集成方便不但可以和高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備構(gòu)成自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)，而且可以和控制設(shè)備構(gòu)成自動(dòng)控制系統(tǒng)。虛擬儀器技術(shù)作為計(jì)內(nèi)蒙古科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書（畢業(yè)論文）11算機(jī)技術(shù)與儀器技術(shù)相結(jié)合的創(chuàng)新技術(shù)，應(yīng)用前景十分廣泛。從總體上而言，虛擬儀器是測(cè)量測(cè)試領(lǐng)域的一個(gè)創(chuàng)新概念，改變了人們對(duì)儀器的傳統(tǒng)觀念，適應(yīng)了現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化發(fā)展趨勢(shì)。虛擬儀器技術(shù)應(yīng)用方式多種多樣，下面主要針對(duì)虛擬儀器技術(shù)在工業(yè)自動(dòng)化，儀器制造和實(shí)驗(yàn)室方面的應(yīng)用前景和效益進(jìn)行分析。工業(yè)自動(dòng)化。我國(guó)工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，工業(yè)自動(dòng)化程度遠(yuǎn)不能滿足市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的要求。制約工業(yè)自動(dòng)化水平提高的一個(gè)關(guān)鍵因素就是企業(yè)缺乏開發(fā)自動(dòng)化控制和管理軟件的專業(yè)人才。許多生產(chǎn)第一線的工程師熟悉設(shè)備與工藝流程，但是不具備程序員的專門編程能力，往往控制系統(tǒng)軟件使交給研究人員或大學(xué)程序員編寫的軟件設(shè)計(jì)與使用脫節(jié)。傳統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法使得實(shí)際工程人員很難掌握和修改專業(yè)人員編寫的軟件，工作積極性和創(chuàng)造力受到影響，許多項(xiàng)目實(shí)際效果并不理想。虛擬儀器設(shè)計(jì)所采用的圖形化編程語(yǔ)言，十分適合工程師應(yīng)用，有利于提高企業(yè)自主開發(fā)和管理項(xiàng)目的能力，降低工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)改造的成本。另一方面，采用虛擬儀器技術(shù)，根據(jù)實(shí)際工藝流程和控制要求，將分布在企業(yè)不同位置的各種測(cè)量?jī)x表和控制裝置連接成為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)施集中控制和管理，可以改變采用傳統(tǒng)單元儀表分散時(shí)工作成本高，維護(hù)困難，資源配置重復(fù)等缺點(diǎn)，提高工業(yè)自動(dòng)化改造的經(jīng)濟(jì)效益，降低管理成本。儀器產(chǎn)業(yè)改造。儀器制造業(yè)是代表一個(gè)國(guó)家科技和工業(yè)發(fā)展水平的一個(gè)重要領(lǐng)域。是否具備各種先進(jìn)和高性能儀器，對(duì)整個(gè)國(guó)家的科技開發(fā)能力，國(guó)防高科技水平和工業(yè)現(xiàn)代化水平都有直接或潛在的重要影響。由于工業(yè)基礎(chǔ)比較落后，我國(guó)的儀器制造，尤其是高性能科學(xué)儀器的制造還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)防和經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要。目前，像數(shù)字示波儀，頻譜分析儀和邏輯分析儀等中高檔儀器還依賴